プリント基板（PCB）の振動測定

スキャニング振動計による全面Out-of-plane測定

測定目的

本測定の目的は、 実装済み車載用プリント基板の全面にわたる面外振動挙動を 制御された加振条件下で可視化することです。単一の測定点だけでなく、基板表面全体をスキャンすることで、表面に垂直な振動振幅が基板レベルおよび部品レベルのどこで最大になるかを特定します。得られた実稼働振動形状（ODS）から、最も大きな動的負荷を受ける領域や部品を把握できます。

1 測定セットアップ

プリント基板を動電型シェーカーに固定します。スキャニング振動計は、試験体上方の可搬式アルミニウムプロファイルフレームに取り付け、基板表面に対して垂直に配置します。この構成により、面外振動測定に最適な測定角度が得られます。

Optomet スキャニング振動計は、振動計、データ収集、信号発生器、カメラを1台に統合しています。本測定では、追加の外部ハードウェアは必要ありません。シェーカー用の加振信号は、内蔵信号発生器から直接生成されます。

2 SMART Labで測定点を設定

ソフトウェア SMART Lab は、内蔵カメラを通じて試験体のライブ画像を表示します。測定領域とスキャングリッドは、このカメラ画像上で直接設定できます。領域選択、メッシュジェネレーター、部品単位の割り当て機能により、基板全体を対象とする粗いグリッドから個々の部品上の高密度グリッドまで、測定点を正確に配置できます。

2つの画像は、プリント基板の実装面をわずかに異なる視点から示しています。左の画像では測定領域とBoundary-Toolsを設定し、右の画像では完成した測定点グリッドを確認できます。SMART Labは複数のレイヤーに対応しているため、基板全体の粗いグリッドや個々の部品上の高密度グリッドなど、異なる測定領域を1つのプロジェクト内で管理できます。

3 測定パラメーターの設定

Acquisitionモジュールで振動計の設定を行います。このPCB測定では、上限周波数を100 kHzに設定します。これにより、基板の基本共振（通常は5 kHz未満）から、より高周波の部品固有モードまで測定できます。1,300万本を超えるFFTラインと6,4 mHzの周波数分解能により、近接するモードも明確に分離できます。

4 自動スキャン

グリッドと設定を定義すると、振動計があらかじめ指定されたすべての測定点を自動的にスキャンします。レーザーは各測定点を順に移動し、必要に応じて焦点を調整して振動信号を記録した後、次の位置へ進みます。スキャン中に手動で操作する必要はありません。

測定は完全非接触で行われます。基板上にセンサーやケーブルを取り付ける必要がなく、構造物に質量が付加されることもありません。そのため、アセンブリ本来の振動挙動を正確に捉えることができます。

5 可視化と解析

スキャン完了後、 SMART Lab のAnalysisタブでは、さまざまな表示形式を利用できます。振動データは、カメラ画像に重ねた色分けされた点、補間されたカラーマップ、または変形をアニメーション表示するワイヤーフレームモデルとして表示できます。減衰情報も表示に反映できます。

カラーマップ表示により、基板全体の振動モードを即座に把握できます。この例では、基板全体に複数の顕著な振幅最大点が分布する高次固有モードが確認できます。これらの最大点と部品位置との関係は、信頼性評価に直結します。振動最大点の近くにある部品には、最も大きな動的荷重が加わるためです。

6 部品の詳細解析と動画エクスポート

SMART Labでは、全体表示に加えて個々の部品を拡大し、局所的な振動モードを表示できます。内蔵の動画収録機能により、振動データのアニメーションを4K動画として生成できます。仮想カメラを基板表面に沿って移動させるトラッキングショットにも対応しており、プレゼンテーションやレポートに最適です。

詳細表示では、個々の部品が加振にどのように応答するかを確認できます。このクローズアップでは、電解コンデンサーがそれぞれ異なる振動パターンを示しています。横方向に傾くものもあれば、垂直方向に変位するものもあります。このレベルの詳細解析は、スキャニング振動計の空間分解能によって初めて可能になるもので、従来の加速度センサーによる測定では捉えられません。

3D振動解析（SMART 3D-Scan）

シミュレーションではなく、実測データ – この図は、SMART 3D-Scanで取得した、部品実装済みプリント基板の実際の3D振動測定結果です。測定データを基板の3Dモデルへ直接投影できるため、影響を受けている部品や領域を一目で確認できます。

同期された3台のSMART Scan+ Vibrometerが、異なる角度から同時に測定します。

ソフトウェアは3つの速度成分から、各測定点におけるX、Y、Z方向の動きを完全に算出します。SMART Labでの測定ワークフローは、基本的に1D測定の場合と同じです。3Dモデルまたはカメラ画像上で測定点を設定し、自動スキャンを実行して、結果を可視化します。決定的な違いは手順ではなく、測定結果から得られる情報にあります。

熱膨張：同じシステムで異なる課題を検証

振動解析に加えて、同じ SMART 3D-Scan振動計 ではさらに、 プリント基板の熱膨張 とその部品の熱膨張を測定できます。FR4基材、銅配線、はんだ接合部、筐体材料の熱膨張係数の違いにより、温度変化時に局所的な変形が生じ、疲労損傷につながる可能性があります。

温度サイクル試験（TCT – Temperature Cycling Test）における 熱機械的信頼性の評価では、熱膨張の3D測定により、ひずみゲージでは限られた箇所でしか得られない空間的なデータを、非接触かつ全面で取得できます。

SMART 3D-Fiberによる3D単一点測定

PCB解析では、必ずしも全面スキャングリッドが必要とは限りません。電子制御ユニット（ECU）のシェーカー試験、個々のアセンブリの適格性評価、量産試験における所定測定点の監視では、単一の測定点で十分です。ただし、3軸すべての方向を測定する必要があります。

SMART 3D-Fiberは、まさにこの測定を実現します。3本のレーザー光が表面上の同一点に照射され、完全な3D振動挙動を捉えます。コンパクトなFiber Headは、筐体内のプリント基板上を直接測定する場合など、設置スペースが限られた環境に特に適しています。

X、Y、Z方向の速度成分は、デジタル出力およびアナログ出力から直接取得できます。SMART 3D-Fiberは、SMART Labのほか、外部DAQシステムから直接操作することも可能です。既存の試験設備への統合に専用ソフトウェアは必要ありません。

測定目的に最適なシステムは？

本レポートで紹介する3つの測定手法はいずれも、Optometのレーザードップラー振動測定技術とSMART Labソフトウェアを使用しています。最適なシステムは、必要とする情報に応じて選択します。

基本的な測定手順は、4つのシステムすべてで共通しています。選択すべきシステムは、全面測定か点測定か、1Dか3Dかといった測定課題によって異なります。SMARTシステムは組み合わせが可能で、段階的に拡張できるため、両方に対応することもできます。

まとめ

本アプリケーションレポートでは、実装済みプリント基板の振動解析について、Optometレーザードップラー振動計を用いた3つの測定アプローチをご紹介します。.

全面Out-of-plane測定： 1台のスキャニング振動計で、基板表面に垂直な振動成分を測定します。セットアップから部品の詳細解析まで、6つのステップでワークフロー全体を解説します。得られた結果から、空間的な振動ホットスポットを特定し、基板レベルの固有モードを可視化するとともに、各部品固有の振動挙動を把握できます。

3D振動解析： 同期させた3台のSMART Scan+振動計により、X、Y、Z方向の動きを完全に測定します。これにより、Out-of-plane測定では捉えられない面内運動、傾斜運動、連成モードを可視化できます。同じシステムで熱膨張も測定できるため、熱機械的信頼性の評価にも有用です。

3D一点測定： SMART 3D-Fiberは、指定した測定点における完全な3D振動情報を提供します。コンパクトなFiber Headは、制御ユニットの加振試験、部品認定試験、既存の試験装置への組み込みに適しています。

3つのアプローチはいずれも、部品配置の変更、局所的な剛性強化、実装条件の調整、実測データに基づくFEM検証など、的確な設計判断に必要な空間的根拠を提供します。